一種激光降低iv型激波干擾熱載和波阻的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于主控流動控制領(lǐng)域，是一種用于減小超聲速和高超聲速飛行器熱載和 波阻的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激波干擾在超聲速和高超聲速飛行中也是一種常見的現(xiàn)象，尤其是斜激波與弓形 激波的IV型干擾，對飛行器性能具有深刻的影響。1968年，Edney根據(jù)入射激波與弓形激波 相對位置的差異，確定了 6種不同類型的干擾，其中類型IV產(chǎn)生了超聲速噴射，流動在此噴 射中高效地壓縮，與前緣相切或相撞，在鈍頭體表面產(chǎn)生了顯著的壓載和熱載。A. Wieting 的研宄表明存在IV型激波干擾時產(chǎn)生的峰值壓力與熱流是只有弓形激波時的20-40倍，并 隨自由流馬赫數(shù)和入射攻角的升高、比熱比的降低而升高。高的熱載給飛行器設(shè)計提出了 嚴(yán)峻的考驗，并且IV型激波干擾通常是不穩(wěn)定的，會產(chǎn)生不穩(wěn)定的熱應(yīng)力，這限制了唇口 的使用壽命。
[0003] 目前國際上針對激光能量沉積控制IV型激波干擾進(jìn)行了一些數(shù)值和實驗研宄。 新澤西州立大學(xué)的 R. G. Adelgren 等（Adelgren, R.，Yan, H.，Elliott, G.，et al. Localized Flow Control by Laser Energy Deposition Applied to Edney IV Shock Impingement and Intersecting Shocks[C].AIAA, 2003-0031.)進(jìn)行了通過單脈沖激光擊穿空氣控制 IV型激波干擾的實驗，紋影拍攝了激光能量對IV型激波干擾的影響，測量表明峰值壓力 降低30%，證明了將激光用于超聲速流動控制的可行性。明尼蘇達(dá)大學(xué)的R.Kandala等 (Kandala R, Candler G V. Numerical Studies of Laser-Induced Energy Deposition for Supersonic Flow Control[J].AIAA Journal. 2004, 42(11):2266_2275.)計算了在馬赫 3. 45的流體中，激光能量注入對IV型激波干擾的影響，結(jié)果表明激光改變了 IV型激波干 擾結(jié)構(gòu)，在特定時刻壓強(qiáng)與熱流顯著降低，隨后恢復(fù)至初態(tài)。H. Yan等（H. Yan，D. Gaitonde. Control of Edney IV Interaction by Energy Pulse[C]. 44th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Nevada. AIAA, 2006-0562.)數(shù)值計算了激光能量注入對IV型激波干 擾的影響，結(jié)果表明能量的注入可以顯著改變流場壓力和溫度分布，有效地降低飛行器表 面的壓載和熱載。
[0004] 國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行的激光控制IV型激波干擾工作證明了該方法的可行性，但目前 激光能量注入方式都局限于單脈沖，控制目的是為降低壓載和熱載，并未將降低波阻考慮 在內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于激光能量注入的同時降低IV型激波干擾熱載和波 阻的方法。本發(fā)明首次提出將高重頻激光能量擊穿來流形成的準(zhǔn)靜態(tài)波與IV型激波干擾 相互作用，并給出了激光參數(shù)和注入位置的優(yōu)化選擇方案，降低熱載的同時降低波阻。本發(fā) 明提出的整形激光束為片光并聚焦的方法，為控制二維平面IV型激波干擾提供了可行技 術(shù)途徑。本發(fā)明可應(yīng)用于超聲速和高超聲速飛行器減阻隔熱。
[0006] 本發(fā)明描述預(yù)估IV型激波干擾發(fā)生位置及強(qiáng)度，實現(xiàn)方案如下：
[0007] (1)數(shù)值模擬飛行器周圍流場狀態(tài)。求解NS方程，根據(jù)來流總溫確定氣體模型為 理想氣體或非平衡氣體，以飛行器構(gòu)型為參照構(gòu)建和劃分計算網(wǎng)格，以真實來流狀態(tài)為依 據(jù)確定計算初始條件和來流參數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果的溫度、壓力分布和波系結(jié)構(gòu)，確定IV型 激波干擾是否發(fā)生，發(fā)生位置以及強(qiáng)度。
[0008] (2)在實驗室條件下，根據(jù)馬赫和雷諾相似準(zhǔn)則，設(shè)計飛行器縮比模型開展風(fēng)洞試 驗，根據(jù)紋影或陰影照片判斷IV型激波干擾是否發(fā)生以及發(fā)生位置。
[0009] 本發(fā)明描述整形激光束為片光，實現(xiàn)方案如下：
[0010] (1)利用高反鏡反射激光束，使光束中心通過預(yù)定的激光能量沉積位置；
[0011] ⑵利用凹柱面鏡將激光束擴(kuò)束，使圓形激光束變?yōu)榧?xì)長橢圓形；
[0012] (3)利用矩形狹縫限制橢圓形激光束，狹縫長度設(shè)置為IV型激波干擾的覆蓋寬 度，在確定狹縫長度之后確定狹縫寬度，其指標(biāo)為保證盡量多的激光能量通過狹縫；
[0013] (4)利用凸柱面鏡匯聚片光，在流場特定位置聚焦擊穿來流。
[0014] 本發(fā)明建立了激光片光聚焦擊穿超聲速或高超聲速流場形成準(zhǔn)靜態(tài)波的方法，并 給出了激光參數(shù)的優(yōu)化選擇，實現(xiàn)方案如下：
[0015] (1)擊穿位置選擇方法：IV型激波干擾上游距鈍頭體表面2至3倍直徑處；
[0016] (2)激光輸出功率大小選擇方法：0. 2至0. 6倍的來流焓值H，H= (2R)2,其中cp為定壓比熱，R為鈍頭體半徑，P 和分別為自由流密度、 溫度和速度；
[0017] (3)激光頻率選擇方法：根據(jù)來流速度選擇激光頻率，使得單脈沖激光引致的點 爆炸波合并形成準(zhǔn)靜態(tài)波。
[0018] 本發(fā)明給出了激光引致的準(zhǔn)靜態(tài)波用于IV型激波干擾隔熱減阻的方法，實現(xiàn)方 案如下：
[0019] (1)準(zhǔn)靜態(tài)波首先與IV型激波干擾中的斜激波相互作用，產(chǎn)生透射激波，透射激 波與弓形激波相互作用，在鈍頭體表面暫時形成了相對高的壓力和熱流區(qū)域；
[0020] (2)準(zhǔn)靜態(tài)波與弓形激波相互作用，弓形激波發(fā)生畸變，脫體距離增大，同時鈍頭 體表面附近形成膨脹波，產(chǎn)生逆壓梯度；
[0021] (3)隨著脈沖激光的持續(xù)注入和準(zhǔn)靜態(tài)波向下游傳播，弓形激波的被影響區(qū)域逐 漸擴(kuò)大，鈍頭體表面峰值熱流和波阻顯著下降，最終形成基本穩(wěn)定的流場結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0022] 圖1為說明本發(fā)明的IV型激波干擾波系結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖2為實現(xiàn)本發(fā)明的片光整形光路圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明的激光引致的點爆炸波合并形成準(zhǔn)靜態(tài)波圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明的準(zhǔn)靜態(tài)波與IV型激波干擾相互作用圖；
[0026] 圖5為實現(xiàn)本發(fā)明的實驗裝置布局圖。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)勢是
[0028] 1)二維激光能量注入方式，便于控制二維流場。IV型激波干擾往往是二維的，采 用片光整形光路將激光能量聚焦為平面二維構(gòu)型，聚焦擊穿之后產(chǎn)生近似二維的準(zhǔn)靜態(tài) 波，便于流動控制。
[0029] 2)能量注入大小、位置和頻率可控性強(qiáng)。激光器響應(yīng)快，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。通過調(diào)節(jié)激 光器輸出能量模式，可針對不同的來流狀態(tài)，實現(xiàn)的控制手段的優(yōu)化。
[0030] 3)隔熱減阻一體化。利用準(zhǔn)靜態(tài)波與弓形激波的相互作用，在鈍頭體表面附近產(chǎn) 生膨脹波，有效降低鈍頭體表面熱載，同時準(zhǔn)靜態(tài)波改變了鈍頭體的氣動外形，弓形激波轉(zhuǎn) 變?yōu)轭愃菩奔げǖ慕Y(jié)構(gòu)，波阻顯著降低。
【具體實施方式】
[0031] 現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明將激光能量